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スマートファクトリーで重要な接続をつくりあげる

GreigRS
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ここ20年間で、インターネットは生活のほぼすべてを変化させてきました。そんなことから、私たちは今を、IoTの時代と考える傾向があります。この時代では、すべての「モノ」が他のすべての「モノ」に接続されています。実際のところ現実は、この3文字が示唆するものよりもはるかに複雑ですが、より高いレベルで考えてみるとわかりやすいでしょう。

smart industry graphic

低いレベルで見ると、インターネットは、制御アルゴリズムのような「実体がない」ものと、スイッチのような「実際の」ものとの間における、以前とは比べ物にならないような相互作用を可能にしました。IoTは、これらをまとめるような、優れた役割を果たします。例えば、スマートホームは、音声で制御可能なデジタルアシスタントを使用して、電化製品のオンとオフを切り替えます。実際に行うこととしては、接続された電源コンセントやプラグを介して、電化製品への電気の流れを制御することだけです。デジタルアシスタントが使用者に(少なくともまだ)伝えることができないのは、電化製品がコンセントに接続されていて、機能しているかどうかということです。

このスマートプラグに対して、スマートセンサーというものもあります。これは、家の中の温度や、窓が開いたままになっている場合などに、ソフトウェアに状態を通知できるセンサーです。これらは、IoTアプリケーションの典型的な例ですが、温度が低すぎる場合はウィンドウが閉じられ、実際にウィンドウが閉じられている場合にのみ、暖房の温度が上がるといった、完全に自動化された環境をつくるには不十分です。

ビル管理システムは、こういったものの実現に向けて、ある程度進歩しています。しかし、彼らが本当に力を入れているのは、制御ソフトウェアと現実世界の間のループを閉じることです。これにより、オンライン(サイバー)の制御の側面と、制御対象の物理的な要素の2つがまとめられます。これらが1つになると、サイバーフィジカルシステム(CPS)と呼ばれるものが生まれます。さらに、これらのシステムがいくつか連携して動作する場合、システムオブシステム(CP SoS)になります。

CPSはすべての縦型産業を密かに変えています。これはインターネットによって可能になりますが、IoTよりもさらに進んでいます。このように、それは認められるに値するそれ自身の利点と要件を持っています。これらに焦点を当てることにより、エレクトロニクス市場などの支援産業は、その可能性を最大化するためにより適切に配置されます。

産業用IoTを超えて

IoTとCPSの違いは、産業環境においても明らかです。インダストリー4.0やIIoTとともに、これらの用語はしばしば同じ意味で使用されますが、システムの概念は、おそらくより簡単に理解できます。

サイバーフィジカルシステムは、逆説的いえば、インターネットにも接続されている閉ループであると考えることができるでしょう。なぜなら、物理的側面を監視、変更するために必要な制御要素が、システムの境界内に含まれているためです。もちろん、これらの境界は一部柔軟で、システムの末端からクラウドまでずっと広がっている場合があります。

私たちは実際のところ、各要素について、システムを制御するために必要なすべてのセンサーとアクチュエーター、2つの間のギャップを埋めるアルゴリズムの評価について話しているのです。産業環境においてこれは、単にマシンの電源をオン、オフにするだけのことではありません。機械に送り込まれるベルトコンベヤ上に何があるかや、冷却液などの消耗品を使用している速度を感知することにまで及ぶかもしれません。

センシング、コンピューティング、動きの組み合わせによって、実際にCPSが定義されます。生成されるデータは通常、IT(情報技術)チームの領域のものとして分類されますが、データを用いて物理的な変更を実装する方法は、まさにOT(オペレーショナルテクノロジー)の範囲です。このように、CPSは、生産性の向上を目的として、これら2つの分野を近づける助けとなります。

industry 4.0 Cyber Physical Systems

サイバーフィジカルシステムの課題

CPSはクローズドシステムと考えることができますが、実際のところ、最新のシステムは非常にオープンであり、他のシステムの影響を受けてしまいます。この良い例としては自動運転車が挙げられます。テスト環境では、自動運転車は非常に良く機能しますが、これまでのところ、オープンシステムでも同様に動作できる自動運転車は、まだ製造されていません。

たとえば、CPSのシステムは、協調して動作するように設計されているため、各サブシステムは、実行するべきことを正確に把握し、既知の状況すべてに対応できます。ただ、自動運転車などのとあるCPSが、スマートシティ交通管制システムといった、別のCPSと遭遇すると、非常に難しいものとなります。これは、予測不可能な結果をもたらしますが、あるCPSが、別のほとんど無関係なCPSからの情報を利用する必要があるかもしれないという事実も示しています。

理解すべきもう1つの重要な点は、人々が、サイバーフィジカル界の大部分を占めているということです。多くの場合CPSには、システムの一部として人を含める必要があります。これは、人間を制御アルゴリズムの一部として、または、システムの入力または出力の一部として扱うことを意味するのでしょう。システムは人間を直接制御することは不可能ですが、ユーザーインターフェイス、ライト、アラームを通して、間接的に通信することがあります。

おそらく、人の存在が、産業環境において最も明白です。自動化を継続的に採用しているにも関わらず、人間のオペレーターは依然として、産業環境で多くの役割を果たしています。役割の1つとして、機械の手入れが挙げられますが、その目的は、原材料の投入、加工された材料の除去、操作パラメーターの調整などによって、プロセスを維持することです。マシンテンディングは成長傾向にありますが、現在においても、それを主に行うのは人間のオペレーターです。このレベルで人間をシステムに統合することは困難ですが、サイバーフィジカルシステムを開発するエンジニアが対処する必要があるものでしょう。

厳しいリアルタイム要求

CPSをIoTと実際に区別できることとして、時間に敏感な性質がある、ということが挙げられます。産業の各処理では、応答時間が重要であることが多く、さらには、依存関係にある処理によって、複雑化する場合があります。データパケットが整理されておらず、サービスレベルが保証されていない一般的なIoTとは異なり、産業用サイバーフィジカルシステムは、タイムスタンプを使用してデータの有効性を保証しています。

IoTによる影響で、CPSの技術は更新され続けています。センサーとアクチュエーターはよりスマートになり、処理部分はネットワークエッジに近くなってきました。その結果、サイバーフィジカルシステムはますます拡張可能で、異種のものになっています。たとえば、ワイヤレスセンサーネットワークを専用サブシステムとして含めることが可能です。これは、有線通信を使用するような、古いサブシステムと統合する必要がある場合に有効です。

CPSの価値が高まるにつれて、その柔軟性が重要になります。産業用アプリケーションでは、交換のためのコストが、ひどく高くなる可能性があります。ただし、産業用アプリケーションは、サイバーフィジカルシステムを採用することで、大きな恩恵を受けることができます。これにより、さまざまな種類の通信技術をもった産業現場が生まれました。

一般的なプロトコルの使用によって、この多様性を維持することが、部分的に可能です。物理層では、イーサネットが最も多く使われている、唯一の有線技術です。無線通信技術には、Wi-Fi(イーサネット相当の無線通信技術)、Bluetooth、Zigbee、およびその他の物理層が含まれます。産業部門により良いサービスを提供するために、イーサネットは非常に強く、過酷な環境での使用に適しています。

ただし、産業用イーサネットには独自の制限があります。第1に、多くの接続規格が、標準イーサネットの修正バージョンに基づいており、プロトコルレベル互換性がありません。第2に、イーサネットの工業化により、ケーブルとコネクタはより堅牢になりましたが、より大きく、より高価になりました。つまり、産業用イーサネットの採用によって、工場のフロアサイズや、比較的大きな機器の導入が制限されてしまうことを意味します。

サイバーフィジカルシステムがインテリジェンスをよりネットワークエッジに近づけ、センサーやアクチュエーター自体に入力し続けるにつれて、最小のデバイスに高帯域幅で信頼性の高い接続を提供する必要があります。産業用イーサネットはこれまで浸透してこなかったため、他のソリューションが使われています。これまで、これは主に、上記の無線通信技術に関係していました。新しいイーサネット技術がIIoTを統合し、新しいレベルの接続を可能にすると約束しているため、もうすぐ変わっていくのかもしれません。

standard vs single pair ethernet

シングルペアイーサネットはフィールドレベルまで拡張されます (出典:SPE Industrial Partner Network)

シングルペアイーサネットはIIoTを統合するのか?

この見出しが意味しているのは、シングルペアイーサネット(SPE)が、標準のイーサネットで必要な4ペアとは対照的に、1ペアのみの銅線を使用するということです。これは、データ密度、つまり、特定のエリアに収まる帯域幅に大きな影響を及ぼします。サイバーフィジカルシステムで動作するセンサーやアクチュエーターなどの、小型でスマートなデバイスの場合、これは、システム全体を実行する、同じイーサネットバックボーンに直接接続できることを意味します。

そうすることで、ITの部分とOTの部分はさらに連携できるようになり、最大1Gbit /秒の帯域幅をサポート可能な物理層を使用すると同時に、TSN(Time Sensitive Network)などの産業環境で重要なテクノロジーを採用します。

TCP / IPを使用しているため、データはスマートデバイスの内部でパケット化されます。SPEインダストリアルパートナーネットワークは、SPEやその標準化を積極的に推進しています。これには、2020年初頭に発行された標準であるIEC 63171-6が含まれていますが、IEC 63171-6は、産業用アプリケーションにおけるSP初の標準であり、すべての主要な標準化団体に採用されています。また、ケーブルおよびケーブルコンポーネントの規格も公開されています。加えて、イーサネットプロトコル標準であるIEEE 802.3bwは、相互運用性を保証するような実装をカバーしています。

1ペアの導体を除くすべての部品を取り外すことにより、ケーブルとケーブルアセンブリは、より簡単で、より小さく、より軽く、さらには、より安価になります。ただし、注意すべき重要な違いがいくつかあります。大きく変わった点として、動作周波数が100MHzから600MHzに増加した点が挙げられます。このため、ケーブル長が8線式イーサネットの100メートルから、シールド付きツイストペア(タイプB)を使用したSPEの40メートル、そして、シールドなしツイストペア(タイプA)のわずか15メートルに短縮されてしまいます。ただし、新世代のスマートセンサーやスマートアクチュエーターが、短距離、高帯域幅の通信を可能にするため、伝送距離はSPEにとって、間違いなく二次的な考慮事項となります。

これらの理由から、SPEは、私たちがよく知っているイーサネットに取って代わることは期待されていませんが、サイバーフィジカルシステムなどのアプリケーションで、イーサネットを強化していくでしょう。半導体メーカーは、ネットワークエッジに位置する、小型で、スマートなデバイス向けに、ギガビットイーサネットを含む統合ソリューションを作成できるようになります。

たとえば、カメラは、CPSの典型例として、クローズドシステム内の、フィードバックループに部分的に使用されるケースが増えてきています。これらの高解像度イメージセンサーによって生成されるデータの量は、ただただ増加しており、従来のバックホールソリューションに負担をかけています。代替手段がなければ従来の産業用イーサネットをここで使用する必要がありますが、これには、前述のような制限があります。SPEでは、こういったものの他にも、多くのアプリケーションを開き、システムの様々な場所で、より多くの高帯域幅センサーを使用できるようにすることが期待できます。

SPEが提供するもう1つの重要な機能は、電力です。具体的には、Power-over-Ethernet(PoE)と同様に、SPEはPower over Data Line(PoDL)を提供します。これにより、同じ2つの導体で電力とデータが変調され、終点には最大50Wが供給されます。これは多くのターゲットアプリケーションにとって十分な電力ですが、この業界ではSPEケーブルに2本の電力線を搭載する方法も検討しています。これにより、より多くの電力を必要とする他のデバイスにこれを拡張できます。

まとめ

大まかに言えば、産業用IoTは、生産性の向上とより優れた識見の提供を目的としたさまざまな技術を象徴しています。より深い部分では、サイバーフィジカルシステムはそのビジョンの実際の実装を記述します。

より多くの垂直市場がCPSアプローチを採用するにつれて、産業部門で役立つような、新しい技術の出現が期待できます。SPEの導入は、CPSの今後の開発に貢献し、イーサネットが高速通信の世界で、優位に立ち続けるために必要なものとなるでしょう。

シングルペアイーサネットの詳細については、Connector Geekの記事を参照してください。

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